Следящий электромеханический привод отсечного золотника в электрогидравлической системе регулирования частоты вращения паровой турбины

Размещено на http://www.allbest.ru/

Следящий электромеханический привод отсечного золотника в электрогидравлической системе регулирования частоты вращения паровой турбины

Баглаев П.В.

студент,

Сизов А.Н.

к.т.н., доц., зам. гл. конструктора по регулированию в ОАО «КТЗ»,

Мусатов Е.А.

к.т.н., доц.

Работа посвящена вопросам проектирования отдельных узлов промышленных систем автоматического регулирования применительно к паровым турбинам. Одним из наиболее востребованных в настоящее время типов подобных систем является электрогидравлическая система. Функционально в ней можно выделить 2 составные части: электронная управляющая (ЭУЧ) и исполнительная гидромеханическая (ГМЧ). Рассматриваемый в работе объект - следящий привод (электромеханический преобразователь) является промежуточным элементом между ними, получая электронный управляющий сигнал из ЭУЧ и преобразуя его в непосредственное перемещение пристыкованного отсечного золотника - управляющего элемента гидравлического блока регулирования в составе ГМЧ. Применение подобных электромеханических приводов (ЭМП) в управляющих контурах малоинерционных объектов регулирования, таких как паровая турбина, предъявляет к ЭМП повышенные требования в части динамики, которые требуют учёта в том числе и на этапе разработки конструкции ГМЧ. Анализ существующих систем регулирования паровых турбин в ОАО «КТЗ» позволяет установить, что требования к быстродействию подобных ЭМП достаточно высоки - перемещение рабочего органа на полный ход в форсированном режиме не должно происходить более, чем за 0,1-0,2 сек при требуемой точности позиционирования до 0,1 мм. Достоинством САР подобного типа является то, что по развиваемому ЭМП усилию высоких требований не предъявляется из-за наличия гидравлически разгруженного исполнительного элемента - отсечного золотника.

До недавнего времени указанным требованиям отвечали лишь ЭМП иностранного производства - таких американских производителей, как Exlar, ССС и др. В настоящее время в РФ также освоен выпуск пилотных образцов подобных ЭМП в г. С.-Петербурге, в частности, уже применённых на Калининской АЭС.

В настоящей работе, выполняемой в рамках курсового проектирования по курсу «Динамика и регулирование гидропневмосистем» рассмотрены некоторые особенности конструкции подобного привода, в т.ч. его ключевого узла - ролико-винтовой пары, в сравнении аналогами. Построена математическая модель привода, использующая базовые уравнения динамики Ньютона и уравнения гидравлики.

Главной отличительной особенностью рассматриваемого ЭМП является его наиболее ответственный и нагруженный узел - ролико-винтовая пара (РВП). Это именно тот узел, который преобразует вращательное движение приводного электродвигателя в поступательное движение выходного штока механизма с высокой скоростью и точностью.

Анализ показывает, что в настоящее время для получения контролируемого линейного перемещения конструкторы могут использовать пять основных вариантов, сравнение которых по эксплуатационным показателям представлено в таблице ниже:

электромеханический золотник паровая турбина

Из таблицы следует, что наиболее подходящим механизмом для ответственных применений с непрерывным режимом работы выходит РВП. В отличие от традиционных передачах типа ШВП или с трапецеидальной резьбой, она может выдерживать большие нагрузки в течение тысяч часов эксплуатации в самых жестких условиях. Разница с другими типами передач заключается в том, каким образом роликовый ходовой винт передает усилия. Несколько резьбовых спиральных роликов расположено вокруг резьбового вала по планетарной схеме (показано на рисунке 1), что позволяет преобразовывать вращательное движение электродвигателя в линейное перемещение вала или гайки.

Рис. 1 Образец современной ролико-винтовой передачи в приводах компании Exlar (США)

Обозначенные достоинства обусловили выбор РВП для решения задач регулирования частоты вращения объектов типа паровых турбин широкого назначения (приводных, конденсационных, теплофикационных). В подобных системах регулирования, набирающих популярность на многих энергетических объектах во многих странах мира, ЭМП с РВП управляет положением отсечного золотника (ОЗ) во втулке, установленной в расточке гидравлического блока регулирования. А смещение ОЗ, в свою очередь, определяет положение исполнительного органа - двухстороннего гидроцилиндра, жёстко связанного с паровпускным регулирующим клапаном турбины. Отрицательная обратная связь в таких современных системах предусматривается двойная - локальная (по положению ОЗ или ЭМП) и главная (по регулируемому параметру - обычно, частоте вращения). Благодаря тому, что ОЗ в подобных конструкциях является гидравлически разгруженным, ЭМП не испытывает существенных ударных или силовых воздействий, зато обеспечивает важное для подобных задач высокое быстродействие и очень высокую точность позиционирования.

На очереди - системы прямого регулирования с непосредственным воздействием ЭМП на регулирующий клапан, обладающие рядом достоинств (главное из которых - упрощение системы и отказ от использования гидравлических узлов и жидкостей), однако, их применение пока ещё ограничено высокими паровыми усилиями, воздействующими на регулирующий клапан, а также высокой потребляемой мощностью и не всегда достаточным быстродействием при больших нагрузках.

В рамках выполняемого курсового проекта проводится моделирование работы одного из отечественных аналогов подобных ЭМП, выпускаемых ЗАО «Диаконт» (г. С.-Петербург), не уступающих, а по ряду характеристик - и опережающих своих иностранных конкурентов. Его функциональная схема представлена на рис. 2

Функциональная схема следящего привода ОЗ представлена на рис. 1

Рис. 2 Функциональная схема следящего ЭМП отсечного золотника: УМ - модуль, отвечающий за усиление мощности; ЭД - электрический двигатель переменного тока; РВП - ролико-винтовая передача; ОЗ - отсечной золотник; ДП - датчик положения ОЗ.

Согласно требованиям, предъявляемым к качеству процессов регулирования, следящий привод отсечного золотника должен обеспечивать высокую скорость перемещения отсечного золотника (до 0.25 м/сек). Ошибка поддержания заданного положения отсечного золотника не должна превышать его зоны нечувствительности. Перемещение отсечного золотника с помощью электромеханического следящего привода должно иметь характер, близкий к монотонному. В качестве исполнительного двигателя выбран электродвигатель RSM-M-24-92-50-C. Момент на валу электродвигателя

[1]

где - коэффициент момента электродвигателя;

- ток статора электродвигателя.

Ток статора определяется из выражения:

= [2]

- напряжение на обмотке статора двигателя;

- сопротивление обмотки статора;

электромагнитная постоянная времени электродвигателя.

Напряжение на обмотке статора двигателя

[3]

напряжение противоЭДС электродвигателя.

Из характеристики электродвигателя RSM-M-24-92-50-C:

при

= при [4]

- коэффициент противоЭДС электродвигателя;

-скорость электродвигателя;

значение скорости электродвигателя, при котором начинается существенное увеличение значения напряжения противоЭДС, для электродвигателя RSM-M-24-92-50-C 10% от максимальной частоты вращения ротора.

Напряжение на выходе усилителя мощности

[5]

 коэффициент усиления усилителя мощности;

напряжение на выходе предварительного усилителя;

напряжение на выходе усилителя мощности.

Напряжение на выходе предварительного усилителя:

при

при [6]

при

коэффициент усиления предварительного усилителя;

максимальное напряжение на выходе предварительного усилителя;

напряжение на выходе ПИД - регулятора

Для преобразования вращения ротора электродвигателя в поступательное перемещение отсечного золотника применена ролико-винтовая передача (РВП).

Уравнение моментов, приведенное к ротору РВП:

[7]

J - суммарный момент инерции вращающихся частей ЭМП приведенный к валу двигателя;

угловое ускорение электродвигателя;

суммарный момент трения в двигателе и подшипниках ЭМП.

Сила, приложенная со стороны электродвигателя, к отсечному золотнику:

[8]

H - величина шага РВП;

коэффициент полезного действия РВП.

Величина скорости перемещения отсечного золотника определяется из 2-го закона Ньютона применительно с учётом вязкого трения в соединении «отсечной золотник - втулка»:

[9]

m - суммарная масса отсечного золотника и винта, жестко с ним соединенного;

коэффициент вязкого трения в отсечном золотнике;

ускорение отсечного золотника;

скорость отсечного золотника.

В случае управления отсечным золотником с помощью непосредственно подсоединенного к нему электромеханического привода отпадает необходимость в использовании гидравлической обратной связи и гидравлической позиционной нагрузки.

На вход системы электромеханического следящего привода поступает сигнал , пропорциональный задаваемому значению отклонения отсечного золотника. При моделировании учитывалось, что управление происходит непрерывным токовым сигналом от 4 до 20 мА и входное сопротивление, установленное на входе АЦП преобразователя частоты, имеет значение 250 Ом, что эквивалентно изменению сигнала в диапазоне от 1 до 5 В.

Ошибка отработки сигнала

[12]

где сигнал с выхода датчика линейного перемещения золотника.

[13]

коэффициент датчика перемещения ОЗ.

Сигнал на выходе ПИД - регулятора:

[14]

коэффициент усиления ошибки;

коэффициент дифференциатора, необходимого для обеспечения устойчивости системы управления;

коэффициент интегратора, уменьшающего статическую ошибку отработки заданного сигнала;

коэффициент обратной связи по току статора;

сигнал, обеспечивающий уменьшение ошибки от воздействия осевой нагрузки на отсечной золотник.

при ;

при - ; [15]

сигнал, пропорциональный значению отклонения отсечного золотника, до которого значение равно нулю (в данном расчете = 2 В, гидравлический ноль);

коэффициент компенсационного сигнала.

Количественные значения коэффициентов определены, но здесь не приводятся ввиду нехватки места.

Исходя из представленной модели, структурную схему электромеханического следящего привода можно представить следующим образом (рис. 3):

Рис. 3 Структурная схема ЭМП (на основе РВП) с отсечным золотником

В настоящее время уточняются ряд расчётных коэффициентов приведённой модели, после чего она может быть промоделирована и верифицирована по имеющимся результатам натурных испытаний данного ЭМП. Результаты данного исследования могут быть учтены при рабочем проектировании подобных изделий для оптимизации их конструкции и рабочего процесса.

Список литературы

1. Башта Т.М., Руднев С.С., Некрасов Б.Б. и др. Гидравлика, гидромашины и гидроприводы: Учебник. 2-е изд., перераб. - М.: Машиностроение, 1982. - 423 с.

2. Навроцкий К.Л. Теория и проектирование гидро- и пневмопривода: Учебник. - М.: Машиностроение, 1991. - 384 с., ил.

3. Попов Д.Н. Динамика и регулирование гидро- и пневмосистем: Учебник. - М.: Машиностроение, 1976. - 425 с.

Размещено на Allbest.ru